這一年，宇宙“面目”愈發(fā)清晰

深邃的星空，埋藏著無數(shù)奧秘，叩問2020年的宇宙蒼穹，陣陣回響喚起驚奇與敬畏無數(shù)：人類首次在銀河系外發(fā)現(xiàn)氧氣、繪制迄今最大宇宙三維地圖、發(fā)現(xiàn)“不可能存在”的中等質(zhì)量黑洞……宇宙的秘密，正在一點(diǎn)點(diǎn)被揭開。或是身邊的天文奇觀，或是地外的生命跡象，我們總在追問的路上，渴望收獲更多。

宇宙還我們以新知，并以更多未知引領(lǐng)我們遙望未來。銀河系邊界探清后，“身邊”的星系究竟有多少?借助引力波首次探測(cè)到中等質(zhì)量黑洞后，人類是否能破解超大質(zhì)量黑洞形成的謎團(tuán)?

回望2020，我們以一趟時(shí)光穿越之旅，再次與宇宙對(duì)話。

氧氣現(xiàn)身河外星系

氧在宇宙中的豐度僅次于氫和氦。此前，天文學(xué)家曾認(rèn)為氧分子在恒星間的空間內(nèi)應(yīng)普遍存在，但一直未有證據(jù)表明銀河系外也有氧氣。

這一“懸疑”今年2月1日《天體物理學(xué)》雜志刊發(fā)的一篇文章被解開。在距地球5.6億光年的“馬卡良231”(Markarian 231)星系內(nèi)，中外科學(xué)家聯(lián)手發(fā)現(xiàn)了氧氣。據(jù)悉，這是人類首次在銀河系外發(fā)現(xiàn)氧氣，也是迄今為止在太陽(yáng)系外探測(cè)到氧氣最多的一次。

“馬卡良231”位于大熊星座。此前，天文學(xué)家在銀河系內(nèi)的獵戶座星云和蛇夫座星云都探測(cè)到過氧氣。據(jù)推算，“馬卡良231”的氧氣比重是獵戶座星云內(nèi)氧氣比重的100倍?？茖W(xué)家推測(cè)，“馬卡良231”內(nèi)經(jīng)歷了比獵戶座星云更強(qiáng)烈的氧氣形成過程。

天文學(xué)家表示，在地外物質(zhì)的光譜中發(fā)現(xiàn)氧氣、水等存在的條件，不能就此斷言其所處的環(huán)境中一定存在著生命;看不到這些“標(biāo)志物”，也未必沒有存在生命的可能性。

上述研究論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員王均智表示，這次在銀河系外發(fā)現(xiàn)氧氣，有助于進(jìn)一步加深對(duì)宇宙物質(zhì)組成的認(rèn)識(shí)，對(duì)于星際介質(zhì)中氧氣的形成和消耗等相關(guān)理論提出了挑戰(zhàn)。

“此次研究是科學(xué)家首次在銀河系外發(fā)現(xiàn)氧氣，但氧氣在星際空間的含量為何普遍遠(yuǎn)低于預(yù)期，仍是未解之謎。”500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)首席科學(xué)家李菂表示。

首次揭示月背地下結(jié)構(gòu)

月球背面的馮·卡門撞擊坑所在地——南極—艾特肯盆地，是太陽(yáng)系中最古老的撞擊坑之一，形成于40億年以前，保留了原始月球的巖石，這里也是月球上已知最深的盆地。

2019年1月3日，嫦娥四號(hào)探測(cè)器在馮·卡門撞擊坑底部成功著陸。之后，“玉兔二號(hào)”月球車?yán)萌跋鄼C(jī)、紅外線光譜儀、測(cè)月雷達(dá)等先進(jìn)儀器，對(duì)月球背面展開科學(xué)探索研究。

2020年2月27日凌晨，國(guó)際科學(xué)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》在線刊載了中國(guó)“玉兔二號(hào)”月球車為馮·卡門撞擊坑做的“CT”結(jié)果。

由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員李春來、蘇彥領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，利用“玉兔二號(hào)”月球車上的測(cè)月雷達(dá)，首次揭示出月球背面著陸區(qū)域地下40米的分層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)地下物質(zhì)由低損耗的月壤物質(zhì)和大小不同的大量石塊組成。這是人類首次揭開月球背面地下結(jié)構(gòu)的神秘面紗。

具體來說，研究團(tuán)隊(duì)沿“玉兔二號(hào)”行走的106米路徑，在深度40米的范圍內(nèi)，識(shí)別出3個(gè)地層單元。

其中，第一單元為月表到地下12米的細(xì)粒月壤，內(nèi)嵌有少量石塊，這一層形成于多個(gè)撞擊坑互疊的濺射物之上;第二單元為地下12米到24米的濺射物沉積層，其內(nèi)部存在大量石塊，甚至形成了碎石層和碎石堆;第三單元為地下24米到40米，是更古老的濺射物在不同時(shí)期沉積和風(fēng)化的產(chǎn)物。

研究人員表示，該研究可幫助人們了解月球撞擊和火山活動(dòng)歷史，有望為月球背面的地質(zhì)演化研究帶來新的啟示。

探明銀河系邊界

天文學(xué)家早就知道，銀河系中最亮的部分是呈薄煎餅狀的恒星盤，太陽(yáng)便身處其中，其寬約12萬光年(1光年約為94600億千米)，恒星盤之外是氣體盤。一塊巨大的暗物質(zhì)光暈包裹著這兩個(gè)圓盤，并延伸到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出它們的范圍之外。但由于這個(gè)暗暈不發(fā)光，因此科學(xué)家很難測(cè)量銀河系的直徑。

3月23日，美國(guó)《科學(xué)新聞》網(wǎng)站報(bào)道了一項(xiàng)來自英國(guó)科學(xué)家的研究，英國(guó)達(dá)勒姆大學(xué)天體物理學(xué)家艾麗絲·迪森及其同事利用銀河系附近星系計(jì)算得出結(jié)論：銀河系的精確直徑為190萬光年，誤差不超過40萬光年。

為找到銀河系的邊界，迪森團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算機(jī)模擬了銀河系和其附近大星系——仙女座星系并排出現(xiàn)的情況。結(jié)果表明，位于巨大星系暗暈邊緣之外的附近小星系的速度會(huì)顯著下降。

利用現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)結(jié)果，迪森團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，銀河系附近的小星系也出現(xiàn)了同樣的速度下降情況。這種情況發(fā)生在距銀河系中心約95萬光年的地方，此處應(yīng)該就是銀河系的邊界。由此他們得出結(jié)論，銀河系寬約190萬光年。

美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)天文學(xué)家羅斯瑪麗·懷斯指出，最新測(cè)量結(jié)果可以幫助天文學(xué)家厘清銀河系其他性質(zhì)。例如，銀河系越大，其“體重”也越重，與它“共舞”的星系應(yīng)該也會(huì)越多?？茖W(xué)家迄今已為銀河系找到約60顆“舞伴”，未來應(yīng)該可以找到更多。

夏至巧遇“金邊日食”

6月21日，當(dāng)太陽(yáng)幾乎直射北回歸線時(shí)，北半球迎來白晝最長(zhǎng)的一天，這一天正是夏至日。同一天，天幕劇場(chǎng)也上演了本年度最精彩的天象演出之一——“金邊日食”。

據(jù)中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)工程師胡方浩介紹，這也是本世紀(jì)唯一一次在中國(guó)可見且恰逢夏至日的日食。

日食食分大小取決于日、地、月三者的位置關(guān)系。中國(guó)天文學(xué)會(huì)會(huì)員、天津市天文學(xué)會(huì)理事史志成解釋說，被遮擋的太陽(yáng)離地球愈遠(yuǎn)則其視直徑愈小，而遮擋太陽(yáng)的月球離地球愈近則其本影愈大，所以當(dāng)太陽(yáng)處于遠(yuǎn)地點(diǎn)而月球處于近地點(diǎn)時(shí)，食分最大。

兩千多年前，日食就啟發(fā)人類認(rèn)識(shí)宇宙，發(fā)現(xiàn)地球公轉(zhuǎn)的規(guī)律。當(dāng)太陽(yáng)被月亮遮擋時(shí)，人們更容易觀測(cè)到太陽(yáng)日冕活動(dòng)情況，從而有助于對(duì)其未來活動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。日食作為一種天文現(xiàn)象，對(duì)星地通信中起到關(guān)鍵作用的電離層有一定影響。

與以往日環(huán)食不同的是，此次日環(huán)食非常接近全食。太陽(yáng)整個(gè)圓面超過99%的面積被遮住，剩下的一圈金邊兒非常細(xì)。

有專家表示，在21世紀(jì)剩余的80年里，發(fā)生在我國(guó)范圍內(nèi)的日環(huán)食僅剩10次，其中5次將發(fā)生在極北或極南地區(qū)，環(huán)食帶范圍小、月球地影過境時(shí)間短，不便觀測(cè)。

迄今最大宇宙三維地圖出爐

宇宙誕生于約138億年前的大爆炸。對(duì)于宇宙的早期和近期，科學(xué)家都有所了解，但其間110億年宇宙究竟經(jīng)歷了怎樣的變化，一直是未解之謎。

7月20日，據(jù)外媒報(bào)道，在對(duì)400多萬個(gè)星系和蘊(yùn)含巨大能量的超亮類星體進(jìn)行分析后，國(guó)際斯隆數(shù)字巡天調(diào)查項(xiàng)目(SDSS)發(fā)布了迄今最大的宇宙三維地圖，講述了宇宙在110億年間的膨脹“故事”，填補(bǔ)了人類在宇宙史探索中的空白。

繪出這份地圖的是多國(guó)科研人員組成的“擴(kuò)展重子振蕩光譜巡天”項(xiàng)目(eBOSS)，它是SDSS的一部分。這一成果的獲得，建立在世界各地?cái)?shù)十家機(jī)構(gòu)的數(shù)百名科研人員超過20年合作的基礎(chǔ)上。

研究顯示，構(gòu)成宇宙結(jié)構(gòu)的細(xì)絲和空隙始于宇宙誕生僅30萬年時(shí)。此外，宇宙在大約60億年前開始加速膨脹，且此后一直持續(xù)膨脹。這種加速膨脹似乎是由暗能量所驅(qū)動(dòng)，這一點(diǎn)與愛因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)言的一致。

此外，研究人員指出，天體物理學(xué)家早在多年前就知道宇宙在膨脹，但一直無法精確測(cè)量宇宙膨脹的速度——哈勃常數(shù)。eBOSS和SDSS的調(diào)查結(jié)果表明，宇宙目前的膨脹速度和早期由其他研究得出的膨脹速度不匹配，仍需科學(xué)家進(jìn)一步的研究調(diào)查。

找到“不可能存在”的中等質(zhì)量黑洞

9月2日，據(jù)美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)官網(wǎng)報(bào)道，該天文臺(tái)與位于意大利的室女座引力波天文臺(tái)攜手，探測(cè)到了一個(gè)142倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，這是科學(xué)家首次探測(cè)到此類中等質(zhì)量黑洞。

研究人員指出，此前所觀測(cè)到的黑洞大致分兩類：恒星質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞，前者質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)倍到數(shù)十倍不等，被認(rèn)為是大質(zhì)量恒星死亡后形成的;后者質(zhì)量約為太陽(yáng)的數(shù)十萬倍到數(shù)十億倍。中等質(zhì)量黑洞介于兩者之間，質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量的100到1000倍。在收到這次信號(hào)前，科學(xué)家沒有發(fā)現(xiàn)任何證據(jù)證明它們的存在。

這個(gè)黑洞由兩個(gè)分別約85倍太陽(yáng)質(zhì)量和65倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞并合而成，并合釋放出的8倍太陽(yáng)質(zhì)量的能量以引力波形式彌漫于宇宙中，被兩大探測(cè)器攜手“逮個(gè)正著”。

研究人員在2019年5月21日探測(cè)到引力波信號(hào)GW190521，該信號(hào)持續(xù)時(shí)間不到0.1秒?？茖W(xué)家推測(cè)，GW190521最有可能是擁有特殊性質(zhì)的雙黑洞并合產(chǎn)生的信號(hào)。

迄今為止，幾乎所有被“驗(yàn)明正身”的引力波信號(hào)均來自于雙星并合，包括雙黑洞并合以及雙中子星并合等。

水分子現(xiàn)身月球光照區(qū)

月球究竟有沒有水?科學(xué)家從未停下探索的腳步。此前科學(xué)家推測(cè)，月球背面常年陰暗的隕石坑里可能藏有冰。如今，最新研究證實(shí)，月球光照面也可能存在水。

10月26日，《自然·天文學(xué)》發(fā)表文章稱，美國(guó)國(guó)家航空航天局依靠平流層紅外天文臺(tái)“索菲亞”，在月球光照區(qū)——月球南半球的克拉維斯環(huán)形山表面，首次探測(cè)到了水分子。

這一發(fā)現(xiàn)表明，水可能分布在整個(gè)月球表面，而不僅限于陰暗的月背。換句話說，即使在太陽(yáng)輻射下，水也能在月球表面存在。

在陽(yáng)光照射的月表，水分子想保留下來非常不易。此次的探測(cè)數(shù)據(jù)顯示，水被“困在”月球表面的土壤中，濃度為百萬分之100—400，相當(dāng)于每千克月壤中含有100—400毫升水，這比撒哈拉沙漠還要干燥100倍，不過精確的水含量需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

另?yè)?jù)論文介紹，探測(cè)到的水可能儲(chǔ)存在月球表面的玻璃般物質(zhì)中或是晶粒之間，這些玻璃般物質(zhì)或晶粒能在惡劣環(huán)境中對(duì)水起到保護(hù)作用。

沒有大氣層保護(hù)，月表太陽(yáng)照射面的水源是否可以利用?“這還需要弄清楚水在月表的分布范圍、埋藏深度、是否能長(zhǎng)期保存等。”南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授周禮勇認(rèn)為，這需要搞清楚水含量是否足夠高，在哪些地區(qū)富集，是否能達(dá)到開采的級(jí)別，水在月表儲(chǔ)存的機(jī)制是什么，需要用什么樣的技術(shù)才能把水有效地收集起來。

“這些發(fā)現(xiàn)確實(shí)令人興奮，很有研究和應(yīng)用的前景，但成本目前還無法預(yù)料。”周禮勇說。

“中國(guó)天眼”看見快速射電暴源頭

快速射電暴，宇宙中一種神秘的射電波暴發(fā)現(xiàn)象。它的持續(xù)時(shí)間短到只有幾毫秒，但在這“靈光乍現(xiàn)”的幾毫秒中，卻蘊(yùn)藏著巨大的能量，它可以把地球上幾百億年的發(fā)電量，完全以射電波的形式釋放掉。

過去十幾年，天文學(xué)家一直在探尋它的來源，又包含了哪些信息?

科學(xué)家在《自然》雜志上分別發(fā)表了3篇關(guān)于快速射電暴的研究成果，利用500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)，他們捕捉到快速射電暴起源的一些蛛絲馬跡。

北京大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員李柯伽研究團(tuán)隊(duì)，在12小時(shí)的觀測(cè)時(shí)間里，利用FAST探測(cè)到了快速射電暴爆發(fā)源FRB 180301的15次暴發(fā)，每次暴發(fā)的強(qiáng)度曲線各不相同。這是國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)該爆發(fā)源的輻射具有非常豐富的偏振特征。FAST觀測(cè)到的偏振變化多樣性明確說明：宇宙中快速射電暴的爆發(fā)源可能來自致密天體磁層中的物理過程。

“類似于地球，磁星也會(huì)形成磁層。我們這次的觀測(cè)結(jié)果是快速射電暴來源于磁層的一個(gè)最直接證據(jù)。”李柯伽說。

此外，包括北京師范大學(xué)林琳博士、北京大學(xué)張春風(fēng)博士、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)王培博士在內(nèi)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，利用FAST對(duì)銀河系磁星軟伽馬重復(fù)暴源SGR 1935+2145進(jìn)行多波段聯(lián)合觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果表明，快速射電暴與軟伽馬射線重復(fù)暴發(fā)具有較弱的相關(guān)性，磁星暴發(fā)產(chǎn)生快速射電暴必須依賴于極其特殊的物理?xiàng)l件。

金星大氣首現(xiàn)磷化氫

9月14日，《自然·天文學(xué)》雜志發(fā)表文章稱，包括英國(guó)卡迪夫大學(xué)科學(xué)家簡(jiǎn)·格里弗斯在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)，于2017年和2019年，分別利用麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡(JCMT)和阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡(ALMA)，在金星上探測(cè)到只屬于磷化氫的光譜特征，并估算出了金星云層中的磷化氫豐度。

這是科學(xué)家首次在金星大氣中探測(cè)到磷化氫。研究人員認(rèn)為，探測(cè)到磷化氫尚無法作為微生物生命存在的有力證據(jù)，但可以表明金星上可能發(fā)生著未知的地質(zhì)或化學(xué)過程。

環(huán)境惡劣的金星，因?yàn)榱谆瘹涞闹虢z馬跡，讓人看到生命的希望，但好消息沒有持續(xù)多久，便遭遇質(zhì)疑。

10月26日，一項(xiàng)發(fā)表在《自然·天文學(xué)》雜志上的最新研究指出，此前被認(rèn)為是磷化氫的光譜數(shù)據(jù)，實(shí)際上非常接近二氧化硫，后者在金星大氣中很常見。

另一項(xiàng)由荷蘭萊頓大學(xué)主導(dǎo)的研究顯示，ALMA獲得的光譜數(shù)據(jù)可以用磷氣體以外的化合物來解釋。據(jù)此，他們得出結(jié)論：在金星大氣層中“沒有檢測(cè)到具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的磷化氫”。

不過金星上的生命“希望”并未就此終結(jié)。格里弗斯團(tuán)隊(duì)重新檢驗(yàn)最初數(shù)據(jù)后，再次發(fā)布結(jié)論稱，ALMA的數(shù)據(jù)顯示了一種光譜特征，這種特征只能用磷化氫化合物來解釋，根據(jù)最新數(shù)據(jù)，磷化氫的含量只有最初發(fā)布結(jié)果的1/7。

金星大氣層中是否真的存在磷化氫?磷化氫究竟來自何處?它們是否帶有生命的印記?這些都值得我們期待。

GECAM引力波探測(cè)器升空

12月10日4時(shí)14分，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，長(zhǎng)征十號(hào)運(yùn)載火箭搭載“引力波暴高能電磁對(duì)應(yīng)體全天監(jiān)測(cè)器”(GECAM)成功發(fā)射并將其送入預(yù)定軌道。

該衛(wèi)星載荷總師李新喬介紹，GECAM將是幾年之內(nèi)在軌運(yùn)行的伽馬暴探測(cè)靈敏度最高的天文衛(wèi)星，也是對(duì)磁星暴發(fā)、快速射電暴、地球伽馬閃等暴發(fā)事件綜合探測(cè)能力最強(qiáng)的衛(wèi)星。它將對(duì)引力波伽馬暴、快速射電暴高能輻射、特殊伽馬暴和磁星暴發(fā)等高能天體暴發(fā)現(xiàn)象進(jìn)行全天監(jiān)測(cè)，研究中子星、黑洞等致密天體及其并合過程。此外，GECAM還將探測(cè)太陽(yáng)耀斑、地球伽馬閃和地球電子束等空間高能輻射現(xiàn)象，為進(jìn)一步揭示其物理機(jī)制提供科學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

引力波伽馬暴是GECAM最重要的科學(xué)探測(cè)目標(biāo)。對(duì)于引力波的探測(cè)，地面設(shè)備的空間定位精度不高。因此，科學(xué)家需要一臺(tái)能夠以較高精度及時(shí)給出引力波暴發(fā)方位的衛(wèi)星——GECAM應(yīng)運(yùn)而生。

李新喬介紹：“GECAM可以對(duì)和引力波伽馬暴幾乎同時(shí)發(fā)生的同源伽馬暴的能譜和光變，進(jìn)行連續(xù)高精度觀測(cè)，同時(shí)可以給出精度較高的引力波事件的方位信息，把地面引力波探測(cè)設(shè)備定位的幾十到上百平方度范圍縮小。這將有助于空間及地面其他波段的觀測(cè)設(shè)備更好地確定其對(duì)應(yīng)天體源，并開展后續(xù)觀測(cè)。”(記者 金 鳳)

關(guān)鍵詞： 宇宙面目